Calentamiento de una piscina de pequeña capacidad utilizando una bomba de calor
Heating a small capacity pool using a heat pump
Gustavo Martínez Laporta1
Leopoldo Scheneider2
Nelson Nuñez3
Artículo Recibido: 15/05/2017 Aceptado para Publicación: 24/07/2017
Resumen: Durante muchos años, los sistemas de calefacción de piscinas se limitaron a los calentadores eléctricos, quemadores de gas o diésel. Estos sistemas eran grandes caros y tenían una eficiencia energética muy baja. Debido a este inconveniente se comenzaron n a introducir las bombas de calor, debido a su costo, eficiencia y bajo consumo de energía eléctrica. La elaboración de este trabajo consiste esencialmente en calcular y fabricar un intercambiador de calor para una piscina de pequeña capacidad que puedan ser utilizados principalmente en invierno donde las temperaturas son muy bajas. La idea de este proyecto es realizar un estudio comparativo del equipo importado utilizado en el mercado nacional, con otro elaborado y fabricado por el equipo de trabajo a fin de verificar el costo y beneficio a ser obtenido. Fueron realizados los cálculos para la fabricación y montaje del prototipo detallando los pasos a seguir, realizando las mediciones respectivas con el fin de obtener los datos necesarios del tiempo de calentamiento de dicho artefacto. Siendo la idea principal de este proyecto demostrar su factibilidad de fabricación y montaje de este intercambiador con el fin de realizar su respectiva comercialización en el mercado nacional.
Palabras Claves: Piscina—Calentamiento-Bomba de calor-
Abstract: For many years, pool heating systems were limited to electric heaters, gas or diesel burners. These systems were very expensive and had very low energy efficiency. Due to this inconvenience, the heat pumps were not introduced due to their cost, efficiency and low power consumption.The elaboration of this work consists essentially in calculating and manufacturing a heat exchanger for a small capacity pool that can be used mainly in winter where temperatures are very low.The idea of this project is to carry out a comparative study of the imported equipment used in the national market, with another one elaborated and manufactured by the work team in order to verify the cost and benefit to be obtained.Calculations were made for the manufacture and assembly of the prototype detailing the steps to be taken, making the respective measurements in order to obtain the necessary data of the heating time of said artefact.Being the main idea of this project to demonstrate its feasibility of manufacture and assembly of this exchanger in order to carry out its respective commercialization in the national market.
Key words: Pool-Heating-Heat Pump
1 Ingeniero, Docente Investigador de la Universidad Americana Email: gulap2@hotmail.com
2 Ingeniero, Universidad Americana Email: leopoldoscheneider@gmail.com
INTRODUCCION
A finales del siglo V a. C. las antiguas estancias de baño asociadas a los gimnasios griegos se perfeccionaron y crecieron en complejidad, convirtiéndose en estancias independientes destinadas sólo al baño. Estas estancias ofrecían baños de vapor y piscinas frías, templadas y calientes
En Roma, siguiendo el ejemplo griego, se construyeron estancias similares que pronto fueron del gusto de la ciudadanía. Ya no solo se realizaban los actos de limpieza y relajación, así como aquellos medicinales cuando las aguas tenían propiedades curativas, sino que se añadía un cuidado del cuerpo que incluía prácticas deportivas y un ritual de masajes con diferentes sustancias como esencias y aceites especiales.
Con el transcurrir del tiempo para el calentamiento de piscinas se utilizaban calentadores eléctricos o quemadores a gas o a combustible.
Pero debido al alto costo en lo que se refiere a consumo energético fueron sustituidos por bombas de calor que poseen una mayor eficiencia energética en su utilización.
Estos intercambiadores de calor tienen una mejor eficiencia en lo que se refiere al proceso termodinámico, pudiendo aumentar la temperatura de la piscina en cualquier época del año.
Además el costo y facilidad de mantenimiento es mucho más sencillo, siendo su principio de funcionamiento se basa en el bombeo de calor a través de un ciclo de refrigeración, utilizando para dicho efecto una bomba de calor de forma a eliminar el calor del aire y tranferirlo a pla piscina.
Los equipos importados que actualmente se comercializan en el mercado nacional son caros y con la fabricación y montaje del equipo se busca reducir su precio y pueda ser vendido a un precio más accesible en el mercado del país
Objetivo general
Proyectar y calcular un intercambiador de calor de tubo de acero inoxidable para una piscina de pequeña capacidad utilizando para ello una bomba de calor.
Objetivos específicos: Desarrollar un prototipo de un intercambiador de calor utilizando una bomba de calor; Calcular y montar el intercambiador de calor utilizando una bomba de calor; Describir y detallar los diferentes procesos en la fabricación y montaje de la bomba de calor; Realizar ensayos del prototipo efectuando las mediciones de temperatura y caudal durante el calentamiento en la piscina; Realizar un estudio de costo a fin de compararlos con otro equipo fabricado en el exterior
METODOLOGIA
Esta investigación presenta un enfoque cualitativo del tipo experimental basados en la recolección de datos, planteando un estudio delimitado y concreto. Se ha planteado el problema de estudio realizando una revisión de la literatura utilizada. A fin de visualizar mejor el trabajo, se decidió dividirlo en 2 partes: La primera parte consistió en calcular y dimensionar los principales parámetros, a ser utilizados en la fabricación y construcción de nuestro equipo. La segunda parte se apoyó en un procedimiento netamente experimental, basado principalmente en la fabricación y construcción de nuestro prototipo.
Cálculo y dimensionamiento de los principales componentes
La primera etapa se inició con un estudio de las características principales a ser tenidos en cuenta para el proyecto de la piscina.
Se optó por una piscina del tipo residencial, por tener un presupuesto más reducido en lo que se refiere a la adquisición del prototipo.
Por este motivo vamos a centrarnos en un método mucho más sencillo para la realización de los cálculos. Este procedimiento que solo tiene en cuenta unos factores menos complejos, se basa en el pliego de condiciones técnicas de instalaciones de baja temperaturas, del Instituto para la Diversificación y Ahorro de las Energías, Madrid (2009).
Según estas normas, prácticamente el total de las perdidas en la piscina se producen por la superficie libre de esta y se refieren a un metro cuadrado de la superficie libre de la piscina.
Para el cálculo de estas pérdidas energéticas, se utiliza la siguiente formula empírica.
Q = [0,0864 x (28 + 20V) x (TA – T)] = (3.1)
Q = Energía perdida. [MJ / d.m2]
V = Velocidad media diaria del aire. [m/s]
TA = temperatura del agua. [°C]
T = temperatura media diaria. [°C]
0,0864 es factor de conversión
Para este proyecto fue considerada una piscina descubierta, de 5 m x 4 m x 1,5 m, con una temperatura del agua de 24°C, una velocidad del viento de 2 m/s y una temperatura media del ambiente de 18°C.
Q = [(28 + 20x2) x (24 – 18) x 0,0864] =
Q = [(28 + 40) x 71 x 0,0864)] =
Q = 35,2 MJ/ d.m2
Finalmente el cálculo de Q es de;
Considerando que el evaporador constituye aproximadamente el 50% de la capacidad térmica del condensador, un equipo de 24000 Btu/h será suficiente para nuestro
Dimensionamiento del intercambiador de calor
En general, los flujos a través de cilindro comprenden separación del flujo, el cual es difícil de manejar en forma analítica.
Por lo tanto el flujo de este tipo debe estudiarse de forma experimental o numérica.
Para este complicado patrón de flujo en transferencia de calor es ventajoso utilizar el número de Nusselt promedio relativo al flujo cruzado sobre un cilindro, propuesto por Churchill y Bernstein
Nucil = 0,3 +0,62 x Re
1 2 x 𝑃𝑟
1 3
[1+(0,4/Pr )
2 3]
1 4
[1 + ( Re
282000)
5 8]
4
5 (3.2)
Nucil = Numero de Nusselt para un cilindro
Re = Numero de Reynolds
Pr = Numero de Prandtl
La otra ecuación utilizada fue la ley Newton de enfriamiento
Qconv = h x ∆s ( Ts – T∞) [ W ] (3.3)
Qconv = Transferencia de calor por convección [ W ]
h = Coeficiente de transferencia de calor para convección. [ W
m2 °C ]
∆s = Area superficial [ m2 ]
Ts = temperatura de la superficie [ °C ]
T∞ = Temperatura del fluido superficialmente alejado
Además del cálculo del número de Reynolds.
Re =ρV2D
µ (3.4)
V = Velocidades promedio [ m/seg ]
D = Diámetro [m ]
𝛒 = Densidad [kg / m3]
µ = Viscosidad dinámica [ kg / m3 ]
Para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor se utilizó la siguiente ecuación.
h =𝑘
𝐷 𝑥 𝑁µ (3.5)
h = Coeficiente de transferencia de calor para convección. [ W
m2 °C ]
k = Conductividad térmica del material [ W
m °C ]
D = Diámetro de la cañería [m]
𝑁µ = Numero de Nusselt
Dimensionamiento de la unidad condensadora.
Para iniciar estos cálculos fue necesario primeramente conocer el caudal de la bomba de agua que alimentaba esta piscina.
Primeramente desmontamos la bomba del circuito de agua del filtro de la piscina, conectamos mangueras en la entrada y salida de la bomba, luego depositamos la manguera de salida en un tambor de 50lts de capacidad encendimos la bomba y con un cronometro tomamos el tiempo que tardaba en llenar dicho tambor, reiteramos esta operación varias veces, obteniendo los siguientes resultados.
En un promedio de 25 segundos, se logró llenar el tambor de 50lts. Analizando estos valores obtenidos, el caudal real de la bomba de agua fue:
QB = 0.002 m3/s
A seguir calculamos la longitud de nuestro intercambiador que se describe a seguir:
Para el área del flujo del agua, considerando los D1 y D2, obtuvimos los siguientes resultados:
D1 = 1 ¼ pulg =32mm
D2 =3/8 pulg =9.5mm
D = D1 – D2 = 1 ¼ - 3/8 = 7/8 pulg.
r = D/2 = 7/8/2 = 7/16pulg
A = π(7/16)2 = 0,601 pulg2
A = 0,000387m2
Para el cálculo de la velocidad del agua que circula por las tuberías fueron realizados los siguientes cálculos que se detallan a seguir:
V = Q/A
Q = 0,002m3/seg
V = 0,002 / 0,000387 = 5,1 m/seg
Los siguientes valores fueron obtenidos de la Tabla A.9 que relaciona las propiedades del agua (Cengel).
K = 0,02551 W/m °C 𝛒 = 998 kg/m2 µ = 1,002 x 10-3 kg/m.s
Pr = 7,01
Para el cálculo del número de Reynolds y el número de Nusselt fueron utilizados las siguientes ecuaciones, la de (3.4) y (3.6)
𝑅𝑒 =𝜌V
2D
µ
𝑅𝑒 =998 𝑥 5,1
2 x 0,0095
1,002 𝑥 10−3 = 252139,5
Numero de Nusselt
𝑁µ = 0,027 𝑥 𝑅𝑒0,805 𝑥 𝑃𝑟1/3 (3.6)
𝑁µ = 0,027 𝑥 252139,50,805 𝑥 7,011/3 = 1152,36
Para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor fueron utilizadas las ecuaciones que se describen a seguir.
h = 𝑘
𝐷 𝑥 𝑁µ
h =0,02551
0,0095 𝑥 1152,36 = 3086,28 [ 𝑊 𝑚2 °𝐶 ]
El área superficial utilizando la Ley de Newton de Enfriamiento
Qconv = h x ∆s (Ts – T∞)
∆s = Qconv h(Ts – T∞ )=
∆s = 14067
3086,28( 45−18)= 0,16 m 2
La longitud de la unidad condensadora.
∆s = π x D x L
𝐿 = ∆S π x D
𝐿 = 0,16
π x 0,0095= 5,64 m
A continuación utilizamos el Número de Nusselt promedio. En lo relativo al flujo cruzado sobre un cilindro.
Nucil = 0,3 +0,64 x Re
1 2 x 𝑃𝑟
1 3
[1 + (0,4/Pr )23] 1 4
[1 + ( Re 282000)
5 8]0,8
Nucil = 0,3 +0,64 x 252139,5
1
2 x 7,01 1 3
[1 + (0,4/7,01 )23] 1 4
[1 + (252139,5 282000 )
5
Nucil = 975,28
Para el cálculo del Coeficiente de transferencia de Calor fueron utilizados los siguientes valores.
h = 𝑘
𝐷 𝑥 𝑁𝑢𝑐𝑖𝑙
h =0,02551
0,0095 𝑥 975,28 = 2612,01 [ 𝑊 𝑚2 °𝐶 ]
Para el cálculo del área superficial utilizando la Ley de Newton de Enfriamiento, obtenemos los siguientes resultados.
Q = h x ∆s (45 – 18)
∆s = Q
h( 45 − 18)=
∆s = 14067
2612,01( 45 − 18)= 0,19 m
2
Finalmente la longitud de la unidad condensadora será de:
∆s = π x D x L
𝐿 = ∆S π x D
𝐿 = 0,19
π x 0,0095= 6,6 m
Primera puesta en marcha
posibles pérdidas con un detector de fugas electrónica, soldando y ajustando las conexiones.
A continuación se volvió a presurizar el sistema utilizando una presión de 350 lbf/pul2 por un periodo aproximado de 48 horas manteniéndose estable, sin indicar posibles fugaz o perdidas
A seguir se procedió a realizar el vacío correspondiente, utilizando para ello una bomba de vacío, cargando el sistema con gas 409 a fin de verificar y comprobar el funcionamiento del sistema.
Antes de continuar y para realizar un buen control, se decidió armar un pelopincho de 6.000 litros, ver figura 1 a fin de verificar y controlar el funcionamiento del equipo de refrigeración.
Figura 1. La prueba de nuestro equipo en piscina de pelopincho
A seguir se procedió a realizar cambios en las abrazaderas por unas más anchas, poniendo y ajustando con cinta teflón en las roscas, solucionado de esta manera el inconveniente.
Una vez circulando el agua del pelopincho por el intercambiador, se a realizo la puesta en marcha del calentador, procediendo a completar la carga de gas refrigerante. También para la regulación del caudal de la bomba se utilizó una llave del tipo mariposa que intercepta la entrada de agua en el intercambiador.
En dicha prueba siendo aproximadamente las 16:20 la temperatura del medio marcaba 23,4°C poniendo a prueba el prototipo, en dicho deposito, con una carga aproximada de 4500 litros, la temperatura del agua indicaba un valor de22°C
Este resultado de esta prueba puede visualizarse en la tabla 1.
Tabla 1. La prueba del funcionamiento de nuestro prototipo
Hora de la prueba La temperatura arrojada
16:25 22,2°C
16:35 23,6°C
16:45 23,1°C
16:55 23,6°C
17:05 24,2°C
17:15 24,7°C
17:25 25,3°C
17:35 25,9°C
17:45 26,5°C
18:55 27°C
18:05 27,6°C
18:15 28°C
18:25 28,6°C
18:35 29°C
18:45 29,3°C
18:55 29,7°C
19:05 30°C
19:15 30,3°C
19:25 30,6°C
19:35 31°C
19:45 31,2°C
19:55 31,5°C
20:05 31,8°C
20:15 32,2°C
20:25 32,3°C
A fin de visualizar mejor esta experiencia se decidió elaborar un gráfico, de acuerdo a la figura 2. Figura 2. Aumento de la temperatura en función del tiempo
En este grafico se pudo verificar el aumento de la temperatura de unos 10°C, al cabo de 4 horas de funcionamiento. Esto demostró que se podría montar y conectar el prototipo en una piscina de mayor capacidad a fin de tener datos más precisos de la experiencia.
Instalación de componentes eléctricos de protección y automatización
Una vez concluida la prueba, se procedió con la parte de automatización y protección del equipo, a ser utilizada para esta prueba, sabiendo que durante todo el proceso los resultados de las mediciones han sido muy alentadoras.
El sistema de automatización consiste en un sistema de control digital para la temperatura del agua, un pulsador para encendido- apagado, ver en la figura 3.
Las protecciones del sistema son; presostatos de alta y baja para el gas refrigerante, control del flujo del agua, termostatos.
Figura 3. Sensor de temperatura y encendido-apagado
Prueba final del prototipo
La prueba final fue realizada en la piscina, que se ilustra en la figura 4.
Figura 4. Piscina y unidad calentadora
suficiente para nuestra última prueba y de esta forma poder obtener los respectivos resultados correspondientes.
Finalmente fueron realizadas las prueba finales, poniendo en funcionamiento el prototipo fabricado para este propósito.
Se realizaron las conexiones correspondientes del sistema hidráulico y eléctrico; Conectando la bomba de agua, por la entrada del intercambiador y para la salida, utilizando una manguera para llevar la salida del agua al otro extremo de la piscina
Para el sistema eléctrico se utilizó una llave de 32 Amperes, situado en el tablero de potencia.
Se puso en marcha el equipo y se continúo hasta completar la carga adecuada del gas refrigerante. Aprovechando un día de bastante frío en el mes de julio, cuya temperatura ambiente indicaba un valor de 12°C, se procedió a iniciar la experiencia.
A seguir se realizaron las mediciones correspondientes durante un periodo aproximado de 8 horas. Estas mediciones realizados fueron hechas con intervalos de aproximadamente 15 minutos, lo cual se detalla en la tabla 2
Tabla 2. La prueba del prototipo en la piscina
Hora de la prueba La temperatura arrojada
14:05 11,4°C
14:20 12,5°C
14:35 13,1°C
14:50 13,8°C
15:05 14,4°C
15:20 15°C
15:35 15,5°C
15:50 15,9°C
16:05 16,4°C
16:20 16,9°C
16:35 17,3°C
16:50 17,7°C
17:05 18,1°C
17:20 18,5°C
17:35 18,7°C
17:50 19°C
18:05 19,3°C
18:20 19,7°C
18:35 20°C
18:50 20,3°C
19:05 20,6°C
19:35 21,2°C
19:50 21,5°C
20:05 21,8°C
20:20 22,2°C
20:35 22,5°C
20:50 22,8°C
21:05 23°C
21:20 23,4°C
21:35 23,9°C
21:50 24,2°C
21:05 24,5°C
21:20 24,9°C
21:35 25,2°C
21:50 25,5°C
22:05 25,9°C
22:10 26
Esta prueba fue hecha con los componentes del prototipo, para un mayor control también se tomó la temperatura, con otro termómetro del tipo digital, el cual coincidían con el sensor del prototipo.
En el figura 5, se observa como aumenta gradualmente la temperatura del agua, en el transcurso del tiempo. La temperatura del agua estaba inicialmente a una temperatura de 11,4°C, luego durante 8 horas de funcionamiento, alcanzó los 26°C, lo cual se visualiza que hubo un incremento de 14,6°C en la temperatura, desde el inicio de la experiencia.
Figura 5. Temperatura obtenida en la piscina en función del tiempo
La temperatura de trabajo fue regulado con un termostato (sensor de temperatura) para un rango de entre 23°C a 26°C. Al alcanzar temperaturas inferiores a 23°C el compresor entra a funcionamiento y a temperaturas superiores a los 26°C, el compresor deja de trabajar.
Este equipo funciono por un periodo de 3 días, esto se debió principalmente a que la temperatura del medio ambiente no superaba los 16°C.
Durante este periodo de 3 días, de funcionamiento interrumpido, se verifico que la temperatura del agua se mantiene en promedio de 24°C. Estas mediciones interrumpidas fueron realizadas cada 3 horas, ver en las figuras 6, 7 y 8.
Figura 6. Resultado del día 1 de la prueba
Figura 7. Resultado del día 2 de la prueba
Figura 8. Resultado del día 3 de la prueba
21,5 22 22,5 23 23,5 24 24,5 25 25,5 26
00
:0
0
03
:0
0
06
:0
0
09
:0
0
12
:0
0
15
:0
0
18
:0
0
21
:0
0
00
:0
0
Temperatura
Costos de materiales y equipos
En las siguientes tablas se describen los costos del prototipo y el equipo que se comercializan en el mercado nacional
Costo de materiales y equipos de fabricación nacional (del prototipo)
En la tabla 3, se describe los costos de los materiales y mano de obras que fueron utilizados en este proyecto
Tabla 3. Detalles de costos para la fabricación del prototipo.
Cantidad Materiales Costo unitario
en Guaraníes
Costo Total en Guaraníes
6 Manguera PVC para alta temperatura 19.166 /m 115.000
6 Caño de acero inoxidable 50.000 /m 300.000
3 Blog de bronce de 100mm. por 32mm. 50.000 c/u 150.000
2 T de plástico roscable de 1 ¼ pulg 13.000 c/u 26.000
3 Caño de 32mm 17.000 /m 51.000
4 Codo de 32mm 7.000 c/u 28.000
1 Llave de paso tipo media vuelta 47.500 c/u 47.500
6 Niple de 3/8 pulg. 34.000 c/u 204.000
1 Llave pulsador apagado-encendido 15.000 c/u 15.000
1 Reloj termostato 240.000 c/u 240.000
3 Gas 409 39.000 /Kg 117000
2 Nitrógeno 45.000 / Kg 90.000
1 Tira de ángulo de 1 pulg 28.000 /m 28.000
Soldaduras 100.000 100.000
Trabajo de tornería 75.000 75.000
Total 1.539.500
Costos de la bomba de calor
En la tabla 4, se describe los materiales para la fabricación de una bomba de calor de una capacidad de 48.000Btu/h.
Tabla 4. Materiales necesarios para la producción del equipo.
Cantidad Materiales Costo unitario
en Guaraníes
Costo Total en Guaraníes
6 Manguera PVC para alta temperatura 19.166 /m 115.000
6 Caño de acero inoxidable 50.000 /m 300.000
2 Blog de bronce de 100mm. por 32mm. 50.000 c/u 100.000
2 T de plástico roscable de 1 ¼ pulg 13.000 c/u 26.000
3 Caño de 32mm 17.000 /m 51.000
4 Codo de 32mm 7.000 c/u 28.000
1 Llave de paso tipo media vuelta 47.500 c/u 47.500
1 Llave pulsador apagado-encendido 15.000 c/u 15.000
1 Reloj termostato 240.000 c/u 240.000
3 Gas 409 39.000 /K 117000
1 Nitrógeno 45.000/K 45.000
1 Condensador de 24.000btu 2.800.000 2.800.000
1 Válvula restrictora para 48.000Btu 235.000 235.000
Soldaduras 100.000 100.000
Trabajo de tornería 75.000 75.000
1 Controlador de Flujo 450.000 c/u 450.000
1 Anticongelante 60.000 60.000
Total 4.872.500
Costo del equipo Importado
El presupuesto para la compra de este equipo fue realizado en una casa dedicada a la importación y comercialización en el mercado nacional detallando a seguir los costos de acuerdo a su capacidad de consumo.
Tabla 5. Costos de los equipo importados
Calentadores Capacidad Máxima Precio
HP 5,6B 18.000 litros 12.600.000
HP 7,8B 26.000 litros 13.200.000
HP 9,5B 32.000 litros 15.000.000
HP 14 A 48.000 litros 18.000.000
HP 17 A 60.000 litros 30.600.000
HP 21 A 73.000 litros 33.000.000
CONCLUSIONES
Como ya fue resaltado con anterioridad el principal objetivo del presente trabajo, fue lo de construir un prototipo para el calentamiento de una piscina del tipo convencional utilizado para ello una bomba de calor y los respectivos materiales para su fabricación y montaje.
A seguir, en consonancia con estos métodos trazados se toma las siguientes conclusiones de carácter general, que fueron logrados de los datos obtenidos en los ensayos del prototipo:
a) El prototipo estudiado se presentó viable para el fin propuesto, produciendo el calentamiento de la piscina dentro de los parámetros establecido por las normas técnicas internacionales.
b) El costo de la bomba de calor para las utilizaciones en piscinas de residenciales es factibles, comparadas con otros de características similares que son comercializados en el país.
c) La característica más positiva de este estudio, que pudo ser evaluada fue a lo que se refiere a la buena relación, entre costo y beneficio.
d) Los cálculos realizados demuestran la relación existente entre el estudio teórico y la práctica que fue realizado.
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